大林更换了侵芬部队负责人，由谢苗·铁木辛哥担任指挥官。铁木辛哥调整了战术，出动大量飞机、大炮、坦克和装甲车，集中优势兵力，于2月1日开始向芬兰发动了新的进攻。
2月1日至10日，苏联军队对芬兰军队阵地进行了猛烈的攻击，摧毁了主要方向上的芬兰军队大部分火力点。
2月12日，苏联军队恢复进攻。经过3天激烈战斗，苏军突破了芬兰坚固的曼纳海姆防线，芬兰军队退守第二道防线。
2月18日，苏联军队试图突破芬兰第二道防线，没有成功。在这种情况下，苏联军队再次停止进攻，调整部署。芬兰军队也趁机休整，将拉多加湖以北的部分兵力南调，加强卡累利阿地峡的防御。
2月28日，苏联军队再次发动猛烈进攻，迅速逼近芬兰军队后方防御地带。
到3月5日，芬兰军队已濒于兵源枯竭、弹尽粮绝、外援无望的境地。英法两国虽然表示愿意出兵援助芬兰，但是德国却威胁说如果芬兰接受英法援助，战火将扩及整个斯堪的纳维亚半岛。瑞典和挪威两国迫于德国的压力，宣布不允许英法军队通过其领土到芬兰参加战斗。在这种情况下，芬兰政府被迫于3月7日派代表前往莫斯科向苏联求和。3月12日，芬兰和苏联两国代表签署了和平条约。至此苏芬战争结束。
在苏芬战争中，芬兰一共伤亡68480人，其中包括死亡或失踪24923人，受伤43557人，其伤亡人数占全国总人口的近百分之二。这次战争使芬兰失去了10%的领土和卡累利阿地峡，丧失家园的22万多芬兰居民后来大部分回到芬兰，只有极少数人选择留下加入苏联国籍。
不过，由于芬兰人勇敢坚强的战斗意志使得芬兰没有成为傀儡政权，同时也逃脱了与立陶宛、拉脱维亚、爱沙尼亚等国家一样的命运。好几个曾经是独立的国家最终被苏联吞并。超过一百万的波罗的海居民在苏联古拉格劳改营失踪，其中大部分被枪决或过劳致死。
对于苏联来说，虽然最终苏联军队取得了这场战争的胜利，征服了芬兰，但是付出了高昂的代价：死亡27.3万人——是芬兰死亡人数的10倍以上，受伤数十万人;此外还损失了数百架飞机
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